SPR Microscopy技術的介紹及其與傳統(tǒng)SPR技術的比較

表面等離子體共振 (SPR) 是一種廣泛使用的無標記互作檢測技術，用于研究生物分子的結合行為。自 20 世紀 90 年代商業(yè)化 ^[1] 以來，SPR 在技術開發(fā)和應用方面都取得了巨大進步。它已成為生物醫(yī)學研究、生物傳感器開發(fā)和藥物發(fā)現(xiàn)的核心工具。在過去十年中，SPR 還與其他技術結合聯(lián)用，例如電化學 (EC-SPR) ^[2]、液相色譜 (HPLC) 和質譜 (SPR-MS) ^[3]，并已用于氣相痕量檢測（SPR-氣相檢測）。近年來最重要的發(fā)展之一是 SPR Microscopy (SPRM)，這是一種將高分辨率光學顯微鏡與表面等離子共振相結合的技術。SPRM 兼具兩種技術的優(yōu)勢，可直接對樣品進行空間可視化定位分析，并實時測量結合親和力和動力學。利用傳統(tǒng)的（基于通道的）SPR技術，研究細胞膜蛋白與候選藥物或其他配體的結合一直具有挑戰(zhàn)性，因為從細胞中提取蛋白并將純化的蛋白固定在 SPR 傳感器上不僅耗時費力，而且改變了蛋白質的天然微環(huán)境。SPRM 通過將細胞直接固定在 SPR 傳感器上，從而保持了蛋白質的天然狀態(tài)，顯著改善了此類測量的結果 ^[4]。此外，還可以確定和繪制每個細胞中膜蛋白的分布和局部結合活性。

在本技術說明中，著重介紹 SPRM 技術及其與傳統(tǒng) SPR 技術的比較。

1 傳統(tǒng)（基于通道）SPR
基于流體通道的SPR檢測模式是最常見的分子結合研究方法（圖 1）。傳感器頂部安裝有多個通道的微流控模塊，樣品通過泵系統(tǒng)傳輸送到每個通道。配體分子被固定在每個通道的傳感區(qū)域上，隨后分析物分子被傳輸?shù)矫總�通道中與特定配體結合。對每個通道的傳感區(qū)域（紫色區(qū)域）的數(shù)據(jù)進行平均，以產(chǎn)生 SPR 傳感圖（如圖 1 右側所示）。每個通道在一次測量循環(huán)中都會生成一個傳感圖（或表面再生后的多個傳感圖），結合親和力和動力學參數(shù)可從這些傳感圖中分析得出。
 

圖 1 傳統(tǒng)（基于通道）SPR模式

2 SPRM（高分辨率顯微鏡）
SPRM 是一種基于高分辨率成像的 SPR 模式。它提供明場光學圖像和傳感區(qū)域的 SPR 數(shù)據(jù)（親和力和動力學常數(shù)）（圖 2）。SPRM（例如 SPRm200）在圖像的每個像素處生成一個 SPR 傳感圖，提供任何給定傳感區(qū)域上結合事件的空間映射，并提供比傳統(tǒng) SPR 模式更多的信息。SPRM 不僅可用于傳統(tǒng)的 SPR 結合分析測量，還可用于細胞對候選藥物反應的異質性研究。由于其高空間分辨率（~ 1 µm），它可以監(jiān)測和測量病毒、細菌的結合事件，而這些無法通過傳統(tǒng) SPR 模式直接測量。SPRM 在測量藥物與天然狀態(tài)下的膜蛋白相互作用方面尤其有效，因為蛋白質分子位于活細胞膜內(nèi)。
 

圖 2 基于高分辨率成像的SPR模式

細胞在傳感器表面孵育或固定，分析物或藥物分子被傳輸?shù)絺鞲袇^(qū)域。圖 3 顯示了傳感器上藥物分子與細胞之間相互作用的示例。實時 SPR 圖像 (3B，藍色圖像) 表示細胞受體與藥物分子的相互作用或結合反應 (粉紅色區(qū)域)。通過明場圖像 (3A，綠色圖像) 選擇感興趣的區(qū)域，生成傳感圖 (3C) 并分析得出結合信息。當選擇許多不同的細胞區(qū)域時，可以用具有統(tǒng)計意義的數(shù)據(jù)確定細胞和細胞膜的異質性。
 

圖 3 SPRM 同時提供明場圖像 (A) 和 SPR 圖像 (B)。結合參數(shù)由傳感圖 (C) 得出

總之，SPRM 提供了一種獨特的功能來可視化細胞膜的結合活性。與傳統(tǒng)的基于通道的 SPR 模式相比，SPRM 還具有額外的優(yōu)勢，即可以通過空間映射細胞膜蛋白天然狀態(tài)下的結合親和力和動力學，從而提供更多生物學相關信息。由于其高空間分辨率，SPRM 可用于監(jiān)測其他表面發(fā)生過程，例如標記有生物分子的納米顆粒的結合或納米顆粒包被藥物的遞送。

3 SPRM與SPR要點比較

4 SPRM 200介紹
SPRM 200是美國BI公司細胞原位分子互作動態(tài)分析系統(tǒng)

應用
小分子藥物或抗體藥物與細胞膜蛋白（受體、離子通道等）原位結合分析；抗體藥物與單細胞或多細胞的結合篩選；細胞結合統(tǒng)計學分布分析，開展細胞異質性研究；細菌或病毒與抗性藥物的相互作用；其他分子與細胞/活細胞層面原位相互作用研究。

功能
親和力測定；動力學分析；同步于SPR測量的光學成像；藥物對多細胞或單細胞作用的研究；細菌或病毒與抗性藥物相互作用的納米級觀察。

特點

• 無標記
• 實時定量
• 細胞膜蛋白原位分析
• 細胞膜上指定區(qū)域分析
• 細胞或細胞膜異質性研究
• 電化學聯(lián)合分析

參考文獻
1. Liedberg, B et al, Biosens. Bioelectron. 10, i-ix, 1995
2. Patskovsky, S et al, Analyst, 139, 596-602, 2014
3. Nedelkov, D and Nelson, R, Trends in Biotechnology, 21, 7, 301-305, 2004
4. Wang, W et al, Nature Chemistry, 3, 249-255, 2011